Феномен ОКЛО Природні «атомні станції» існували задовго до людей

Виявляється, що ланцюгова реакція ділення урану, що вважалася одним з вищих проявів могутності людського розуму, колись дуже давно могла йти і йшла без втручання людини. Про феномен Окло, писали багато і не завжди коректно. З часом пристрасті стихли, а інформації про цей феномен за останній час додалося.

В один з осінніх днів 1945 р. японський фізик П. Курода, приголомшений побаченим в Хіросімі, уперше замислився про те, чи не може подібний процес ділення ядер йти в природі. А якщо так, то чи не цей процес породжує неприборкну енергію вулканів, які у той час Курода якраз вивчав?

Услід за ним цією принадною ідеєю захопилися і деякі інші фізики, хіміки, геологи. Але техніка — енергетичні ядерні реактори, що з’явилися в 50-ті роки, — працювала проти ефектного висновку. Не те щоб теорія реакторів накладала заборону на такий процес — вона оголошувала його занадто маловірогідним. Одним словом, таких складних реакцій в природі бути не може.

І все-таки деякі ентузіасти почали шукати сліди  ланцюгової реакції ділення в природі. Американець  Орр, наприклад, спробував виявити ознаки ядерного «горіння» в тухоліті. Назва цього мінералу зовсім не свідчення його неприємного запаху, слово утворене з перших літер латинських назв елементів, наявних в цьому мінералі, — торія, урану, водню (хідрогеніум, перша літера — латинська «аш», що читається як «х») і кисню (оксигеніум). А кінцівка «літ» — від грецького «літос» — камінь.

Але ніяких аномалій в тухоліті Орр не виявив.

Негативний результат був отриманий і при роботі з одним з найвідоміших уранових мінералів — уранінітом  (у старих довідниках склад уранинита виражається формулою UO2, але це формула, що ідеалізується. Насправді в уранініті на кожен атом урану доводиться від 2,17 до 2,92 атомів кисню). Було висловлене припущення, що рідкоземельні елементи, присутні в уранініті, утворилися в ланцюговій реакції ділення. Але ізотопний аналіз показав, що ця домішка — найзвичайніша, не радіогенна.

Дослідники з Арканзаського університету спробували знайти в гарячих джерелах Йеллоустонського національного парку  радіоактивні ізотопи стронцію. Міркували так: вода цих джерел підігрівається деяким джерелом енергії; якщо десь в надрах діє природний ядерний реактор, у воду неминуче просочаться радіоактивні продукти ланцюгової реакції ділення, зокрема стронцій- 90. Проте ніяких ознак під­вищеної радіоактивності в йеллоустонських водах не виявилися.

Де ж шукати природний реактор? Перші спроби були зроблені майже наосліп, на основі міркувань типу «це може бути тому, що». До серйозної теорії природного ядерного реактора було ще далеко.

У 1956 р. в журналі «Nature» була опублікована маленька, усього на сторінку, замітка. У ній коротко викладалася теорія природного ядерного реактора. Її автором був все той же П. Курода. Сенс замітки зводився до встановлення можливості ланцюговій реакції ділення за певних обставин.

Коли утворюється уранове родовище, в нім можуть бути наявними три головні «дійові особи» майбутньої ланцюгової реакції. Це пальне — уран- 235, уповільнювачі нейтронів — вода, оксиди кремнію і металів, графіт (стикаючись з молекулами цих речовин, нейтрони розтрачують свій запас кінетичної енергії і з швидких перетворюються на повільні) і, нарешті, поглиначі нейтронів, серед яких, — осколкові елементи (про них розмова особлива) і, як це не дивно, сам уран. Переважаючий ізотоп — уран-238 — може ділитися швидкими нейтронами, але нейтрони середньої енергії (енер­гійніші, ніж повільні, і повіль­ніші, ніж швидкі) захоплюють  його ядра і при цьому не розпадаються, не діляться.

При кожному діленні ядра урану-235, викликаному зіткненням з повільним нейтроном, народжується два-три нових нейтрона. Здавалося б, число нейтронів в родовищі повинне лавиноподібно наростати. Але усе не так просто. «Новонароджені» нейтрони — швидкі. Щоб викликати нове ділення урану-235, вони повинні стати повільними. Ось тут і підстерігають їх дві небезпеки. Уповільнюючись, вони повинні як би проскочити інтервал енергій, за яких з нейтронами дуже охоче реагує уран-238. Не усім це вдається — частина нейтронів вибуває з гри. Уцілілі повільні нейтрони стають жертвами атомних ядер рідкоземельних елементів, завжди присутніх в уранових родовищах (і реакторах теж).

Мало того, що вони — елементи розсіяні — всюдисущі. Вони до того ж утворюються при діленні ядер урану — вимушеному і спонтанному. А деякі осколкові елементи, наприклад гадоліній і самарій, належать до найсильніших поглиначів теплових нейтронів. У результаті, на ланцюгову реакцію в урані, як правило, нейтронів залишається не так вже багато.

Коефіцієнт ділення — це і є відношення залишку нейтронів до їх первинного числа. Якщо K = 1, в урановому родовищі стійко протікає ланцюгова реакція, якщо K  > 1, родовище повинне самознищуватися, розсіятися, може навіть вибухнути. При К < 1 ланцюгова реакція не піде. Дуже точно повинні зіграти свої «ролі» пальне, уповільнювач і поглинач, щоб коефіцієнт розмноження став не менше 1, щоб родовище запрацювало як природний реактор. Але ж це не актори, їм не поясниш завдання. Значить, мають бути такі природні умови, щоб родовище могло стати природним ядерним реактором.

Що для цього потрібне? По-перше, щоб родовище було древнім. Зараз в природній суміші ізотопів урану концентрація урану-235 усього 0,7%. Не набагато більшою вона була і 500 мільйонів, і мільярд років тому. Тому в жодному родовищі молодше 1 млрд. років не могла початися ланцюгова реакція, незалежно від загальної концентрації урану або води-уповільнювача. Період напіврозпаду урана- 235 близько 700 млн. років. Чим далі в глиб віків, тим більше була концентрація ізотопу уран-235. Два мільярди років тому вона складала 3,7%, 3 млрд. років — 8,4%, 4 млрд. років — цілих 19,2%! Ось тоді, мільярди років назад, прадавні родовища урану були досить багатими, готовими ось-ось «спалахнути».

Давність родовища — необхідна, але не достатня умова дії природних реакторів. Інша, також необхідна умова — присутність поруч води у великих кількостях. Вода, особливо важка, — кращий уповільнювач нейтронів. Не випадково ж критична маса урану (93,5% 235U) у водному розчині — менше одного кілограма, а в твердому стані, у вигляді кулі із спеціальним відбивачем нейтронів — від 18 до 23 кг. Не менше 15-20% води мала бути у складі уранової древньої руди, щоб в ній спалахнула ланцюгова реакція ділення урану.

Але і це ще недостатньо. Необхідно, щоб урану в руді було не менше 10-20%. За інших обставин природна ланцюгова реакція не могла б початися. Завважимо, що зараз багатими вважаються руди, в яких від 0,5 до 1,0% урану; більше 1% — дуже багатими.

Але і це ще не усе. Треба, щоб родовище було не занадто маленьким. Наприклад, в шматку найдревнішої, найконцентрованішої (і по урану, і по воді) руди величиною з кулак — ланцюгова реакція початися б не могла. Надто багато нейтронів вилітали б з такого шматка, не встигнувши вступити в ланцюгову реакцію. Підрахували, що розміри покладів, які могли б стати природними реакторами, повинні складати хоч би декілька кубометрів.

Отже, щоб в родовищі сам собою запрацював «нерукотворний» ядерний реактор, треба, щоб одночасно дотримувалися усі чотири обов’язкові умови. Це і обумовила теорія, сформульована професором Куродою. Тепер пошуки природних реакторів в уранових родовищах могли набути певну цілеспрямованість. І вони почалися з новою енергією.

Пошуки вели в США і в СРСР. Американці проводили якнайточніші ізотопні аналізи урану, сподіваючись виявити хоч невелике «вигорання» урану-235. До 1963 року Комісія з атомної енергії США вже мала в розпорядженні відомості про ізотопний склад декількох сотень уранових родовищ. Були вивчені глибинні і поверхневі, древні і молоді, багаті і бідні родовища урану. У сімдесятих роках ці дані опублікували. Слідів ланцюгової реакції знайдено не було.

У СРСР застосували інший метод пошуків природного ядерного реактора. З кожних ста ділень ядер урану-235 шість призводять до утворення ізотопів ксенону. Отже, при ланцюговій реакції в уранових родовищах повинен накопичуватися ксенон. Перевищення концентрації ксенону (понад 10 -15 г/г) і зміни його ізотопного складу в урановій руді свідчили б про природний реактор. Чутливість радян­ських мас-спектрометрів дозволяла виявити щонайменші відхилення. Було досліджено багато «підозрілих» уранових родовищ — але в жодному не виявилося ознак природних ядерних реакторів.

Виходило, що теоретична можливість природної ланцюгової реакції так ніколи і не знайде практичного підтвердження. До такого висновку прийшли вже в 1970 р. А через всього два роки французькі фахівці абсолютно випадково натрапили на природний ядерний реактор. От як це було.

У червні 1972 р. в одній з лабораторій Комісаріату по атомній енергії Франції готували еталонний розчин природного урану. Виміряли його ізотопний склад: урану-235 виявилося 0,7171% замість 0,7202%. Невелика різниця! Але в лабораторії звикли працювати точно. Перевірили результат — він повторився. Досліджували інший препарат урану — дефіцит урану-235 виявився ще біль­шим! Упродовж наступних шести тижнів екстрено проаналізували ще 350 зразків і виявили, що з уранового родовища Окло (Габон) у Францію доставляється уранова руда, збіднена ураном-235.

Організували розслідування — виявилось, що за півтора роки з копальні надійшло 700 тонн збідненого урану, і загальна недостача урану-235 в сировину, Франції, що поступив на атомні заводи, склала 200 кг! Їх, очевидно, використовувала як ядерне пальне сама природа.

Французькі дослідники (Р. Бодю, М. Неллі та ін.) терміново опублікували повідомлення, що ними виявлений природний ядерний реактор. Потім в багатьох журналах були приведені результати всебічного вивчення незвичайного родовища Окло.

Феномену Окло були присвячені дві міжнародні наукові конференції. Усі зійшлися в загальній думці: це дійсно природний ядерний реактор, що працював у центрі Африки сам по собі, коли і предків людини на Землі не було.

2 мільярди 600 мільйонів років назад на території нинішнього Габона і суміжних з ним африканських держав утворилася величезна гранітна плита протяжністю в багато десятків кілометрів. (Цю дату, так само як і інші, про яких піде мова, визначили за допомогою радіоактивного годинника — по накопиченню аргону з калію, стронцію — з рубідію, свинцю — з урану.)

Протягом наступних 500 мільйонів років ця брила руйнувалася, перетворюючись на пісок і глину. Вони змивалися річками і у вигляді опадів, насичених ор­ганічною речовиною, шарами осідали в дельті древньої величезної річки. За десятки мільйонів років товщі опадів настільки збільшилися, що нижні шари виявилися на глибині в декілька кілометрів. Крізь них просочувалися підземні води, в яких були розчинені солі, у тому числі трохи солей уранілу (іон UO22+). У шарах, насичених органічною речовиною, були умови для відновлення шестивалентного урану в чотиривалентний, який і випадав в осад. Поступово багато тисяч тонн урану осіло у вигляді рудних «лінз» розміром в десятки метрів. Зміст урану в руді досяг 30, 40, 50% і продовжував рости.

Ізотопна концентрація урану-235 була тоді 4,1%. І в якийсь момент виявилися дотриманими всі чотири умови, необхідні для початку ланцюгової реакції, про яких розказано вище. І природний реактор запрацював. У сотні мільйонів разів зріс потік нейтронів. Це призвело не лише до вигорання урану-235, родовище Окло виявилося скопищем багатьох ізотопних аномалій.

Разом з ураном-235 «вигоріли» усі ізотопи, що легко взаємодіють з нейтронами. Виявився в зоні реакції самарій — і позбувся свого ізотопу 149Sm. Якщо в природній суміші ізотопів самарія його 14%, то на місці роботи природного реактора — усього 0,2%. Така ж доля спіткала 151Еu, 157Gd і деякі інші ізотопи рідкоземельних елементів.

Але і в природному ядерному реакторі діють закони збереження енергії і матерії. Ніщо не перетворюється ні на що. «Загиблі» атоми породили нові. Ділення урану- 235 не що інше, як утворення уламків різноманітних атомних ядер з масовими числами від 70 до 170. Добра третина таблиці елементів — від цинку до лютецію виходить в результаті ділення ядер урану. У зоні ланцюгової реакції є хімічні елементи з фантастично спотвореним ізотопним складом. У рутенію з Окло, наприклад, втричі більше, ніж в природному рутенії, ядер з масовим числом 99. У цирконію в п’ять разів зростає зміст ізотопу 96Zr. «Згорілий» 149Sm перетворився на 150Sm, і останнього у результаті в одній з проб виявилося в 1300 разів більше, ніж повинно було бути. Таким же шляхом в 100 разів зросла концентрація ізотопів 152Gd і 154Gd.

Усі ці ізотопні аномалії цікаві самі по собі, але вони дозволили багато що дізнатися і про природний реактор. Наприклад, скільки часу він працював. Деякі утворені при роботі природного реактора ізотопи, природно, були радіоактивними. Вони не дожили до наших днів, розпалися. Але за той час, що радіоактивні ізотопи перебували в зоні реакції, частина з них вступила в реакцію з нейтронами. За кіль­кістю продуктів таких реакцій і продуктів розпаду радіоактивних ізотопів, знаючи дозу нейтронів, розрахували тривалість роботи природного реактора. Виявилось, що він працював приблизно 500 тисяч років.

А дозу нейтронів упізнали теж по ізотопах, по їх вигоранню або накопиченню; вірогідність взаємодії осколкових елементів з нейтронами відома досить точно. Дози нейтронів в природному реакторі були в тисячі разів більше, ніж ті, що використовуються в лабораторіях при нейтронно-активаційному хімічному ана­лізі. Кожен кубічний сантиметр руди щомиті бомбардували сто мільйонів нейтронів!

По вигоранню ізотопів підрахували і енергію, виділену в природному реакторі. Цієї енергії вистачило, щоб температура родовища Окло досягла 400-600°С. До ядерного вибуху, очевидно, було далеко, реактор не працював на критичній межі. Це, ймовірно, пояснюється тим, що природний реактор Окло був саморегульованим. Коли коефіцієнт розмноження нейтронів наближався до одиниці, температура підвищувалася, і вода — уповільнювач нейтронів — йшла із зони реакції. Реактор зупинявся, остигав, і вода знову насичувала руду — знову поновлювалася ланцюгова реакція.

Усе це тривало доти, доки в руду вільно поступала вода. Але одного дня водний режим змінився і реактор зупинився назавжди. За два мільярди років сили земних надр зрушили, зім’яли, здибили під кутом 45° пласти руди і винесли їх знову на поверхню. Природний реактор, немов заморожений в шарі вічної мерзлоти мамонт, у своєму первозданному виді з’явився перед сучасними дослідниками.

Втім, не зовсім в первозданному. Деякі ізотопи, утворені при роботі реактора, зникли із зони реакції. Наприклад, барій, стронцій і рубідій, знайдені в родовищі Окло, виявилися майже нормальними за ізотопним складом. Адже ланцюгова реакція повинна була викликати величезні аномалії у складі цих елементів. Аномалії були, але і барій, і стронцій, і тим більше рубідій — хімічно активні і тому геохімічно рухливі елементи. «Аномальні» ізотопи вимивалися із зони реакції, а з навколишніх порід на їх місце приходили нормальні.

Мігрували також, хоча і не так значно, теллур, рутеній, цирконій. Два мільярди років — термін великий навіть для неживої природи. А ось рідкоземельні елементи — продукти ділення урана-235 і особливо сам уран — виявилися міцно законсервованими в зоні реакції.

Але що залишилося нез’ясованим, то це причини унікальності родовища Окло. У далекому минулому природні ядерні реактори в древніх породах повинні були виникати досить часто. Але їх не знаходять. Можливо, вони і виникали, але через якісь причини самознищувалися, вибухали, а родовище Окло вціліло...

О. Шуколюков